基于钢轨探伤试验标定线的设计研究

张琦，金振山，傅强，郝晋斐

（1.中国铁路北京局集团公司地下直径线工程项目管理部，北京 100016；2.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100089）

1 背景介绍

截至2019年年底，目前全国铁路运营总里程已达13.9万km，其中高铁运营里程为3.5万km，中国铁路总公司颁布的《普速铁路线路修理规则》中规定了正线线路和道岔（调节器）的钢轨探伤周期，定期开展探伤检测。

在现有探伤体系中，高速高速铁路采用探伤车为主，探伤仪为辅的检测模式，而普速铁路采用探伤仪为主、探伤车为主的检测模式，随着铁路建设里程的不断增加，钢轨探伤需求总里程也随之增加，同时，随着国铁集团提出“减员增效”的理念，探伤任务的增加和投入人员减少的矛盾愈发突出，从2015年起国铁集团开始研究钢轨探伤车在普速铁路上的适用能力并考虑在普速铁路周期替代钢轨探伤仪的可能性。

截至2020年年初统计，国内钢轨探伤车生产厂家（如金鹰重工、宝鸡中车时代）建设了18条满足不同标定速度的试验标定线。这些标定线在设置的人工伤损种类和数量上都较路局钢轨探伤车标定线有了很大的提升，但仍存在线路条件设定理想和人工伤损轨铺设在直线段等问题，无法对钢轨探伤车在实际工况条件下线路的伤损检测能力进行评价。

2 钢轨探伤试验标定线的建设现状与设计要求

2.1 现行关于钢轨探伤车超声检测系统性能的规定

根据目前印发的《钢轨探伤车运用管理办法》（TG/Gw218-2017）和《大型钢轨探伤车》（GB/T 28426-2012）中对于钢轨探伤车超声检测系统性能的规定，目前，国内在役使用钢轨探伤车可以分为GTC-40型、GTC-60型和GTC-80型，检测项目一般包含轨头横向裂纹、轨头轨腰纵向裂纹、螺孔裂纹、闪光焊、气压焊接头轨头核轨腰疲劳伤损等。探伤车采取动态标定的方法，对试验线路的人工伤损进行连续不间断10次检测，统计平均检出率、误报率。平均检出率大于80%且平均误报率小于20%，则动态标定合格。

2.2 试验标定线建设的必要性

铁科院目前拥有一台钢轨探伤车，在承担全路钢轨探伤监督检测任务的同时还负责全路探伤检测系统的年检评定、探伤车运用检查等工作，在对全路钢轨探伤工作进行技术指导同时却并没有配备全路最先进的钢轨伤损试验标定线。

一方面，国内目前现有的伤损试验标定线中人工伤损的设置模拟尺寸较大，位置也多为平坡直线段，探伤系统实际线路所设置的参数很难应用到标定线上，指导作用有限，功能相对单一，无法进行预期的探索钢轨探伤车能力的试验。

另一方面，目前在环行铁道基础设施检测试验室旁的调车线铺设2组人工伤损轨最高试验速度小于10km/h。人工伤损的种类、数量和试验速度均与标准存在较大差距。

因此，建设一条具备各类常见伤损、各种尺寸伤损、符合现场线路几何条件的伤损试验线，为验证各类钢轨探伤新技术的检测性能，并对现有钢轨探伤技术提供改进方向，是十分必要的。考虑到未来各类新技术的应用和探伤要求的持续提高，伤损试验线的建设要求必须充分借鉴国内外现有伤损标定线、试验线的经验，具备超前性。

2.3 试验标定线的设计要求

依据《大型钢轨探伤车》（GB/T 28426-2012）结合现有钢轨探伤车超声检测系统的年检评定工作，钢轨探伤试验标定线要满足在检测运营时速达到80km/h，人工伤损种类和数量要满足国标中的要求。

同时，为满足钢轨探伤技术发展验证需要，为以后更加全面地评价钢轨探伤车不同工况、线路条件下的超声检测能力，还应在以上传统试验标定线要求基础上增加以下设置。

（1）设置更加丰富的人工伤损，更好地评判钢轨探伤车检测能力。其中，设置多种类型不同尺寸的人工伤损用来模拟轨头核伤、螺孔裂纹、轨颚伤损和轨底伤损等，对超声检测系统的检测能力进行探索和分析。

（2）增加自然伤损设置，自然伤损取材现有从各铁路局中发现并保存下来的，难以加工、无法模拟的伤损，使探伤检测更为贴近现实情况。

（3）伤损区的设置不同于其他伤损线，除了直线段外，在曲线段也要设置伤损区段，用以评价钢轨探伤车在曲线段的检测能力。

（4）设置轨道不平顺模拟实际线路状况。其中设置轨距、轨向、高低、三角坑等模拟真实的检测线路条件，对超声探头对中效果进行评价。

（5）设置有缝区段和无缝区段。

3 钢轨探伤试验标定线的建设研究方法

3.1 线路选取

目前，铁科院东郊分院小环复线处于停用状态，符合《标准轨距铁路机车车辆限界》（GB 146.1）的车辆均可在小环复线上开展相关试验，可用来建设钢轨探伤试验标定线。图1为国铁集团钢轨探伤车示意图，虚线轮廓所示范围满足GB 146.1限界要求。

图1 国铁集团钢轨探伤车满足GB146.1限界

小环复线的起止里程为K5+113.92和K7+717.91，线路总长2.604km。其半径R350m 曲线区段超高125mm，限速70km/h；半径R600m曲线区段超高80mm，限速80km/h。满足钢轨探伤车最高检测速度控制在曲线半径1/10范围内的要求，可分别在R350m和R600m曲线段铺设伤损轨。

独立轨道长度2.419km，全线平坡，轨道结构为60kg/m-25m标准钢轨。夹直线长度为1473m。直线长度满足80km/h试验速度的要求，可在直线段铺设伤损轨。小环复线及试验伤损布置示意如图2所示。

图2 小环复线和试验标定线选址示意图

因此，对小环复线对相关线路进行维修作业，更换失效零部件，开展道床清筛及补砟、线路沉落修整等线路整备施工后，使线路轨道静态几何尺寸不平顺容许偏差管理值满足《普速铁路线路修理规则》（TG/GW 102-2019）中“80km/h＜υmax≤120km/h正线”速度等级的作业验收值标准。

3.2 线路整备

（1）线路病害设置。预设轨道不平顺等线路病害来模拟实际线路，全面考察钢轨探伤车的检测能力。按照预设要求计划在小环复线的K5+400～K7+100范围预设静态轨道几何大值不平顺。

（2）无缝改造。通过将小环复线的部分有缝线路采用现场焊的方式改造为无缝线路，实现对无缝线路的工况模拟，考察钢轨探伤车在无缝线路的检测能力。计划在小环复线的K6+100～K5+700范围改造成无缝线路，改造后的无缝线路长度400m。

（3）线路探伤。小环复线上的钢轨来源于大环线上的服役轨，其使用年限不详；线路上可见多处铝热焊缝、存在轨面磕损等病害（见图3）。应对小环复线的线路开展探伤，以掌握线路中存在的伤损，并根据伤损严重程度，进行换轨和伤损加固等作业，确保非伤损设置区域内无不可控伤损存在。

图3 轨面病害类型图

（4）安装射频标签。小环复线设置有公里标和百米标，未设置里程定位标签。考虑到后续钢轨探伤车的标定和试验，应在小环复线的起止端和中间位置（K5+200、K6+300、K7+500）共设置3处射频标签。

（5）设置标识。对于铺设完伤损轨的区段，应设置相关标识，便于区分。应对直线段和曲线段的3处伤损设置区域进行轨枕涂色（如涂刷白漆）和树立标识牌等，方便区分伤损区域和控制标定速度。

4 试验标定线的伤损设置和实施

钢轨探伤试验标定线的设置伤损分为人工伤损和自然伤损。为了更好地模拟实际线路状况，更直观地反映探伤车超声检测系统对伤损的检出能力，在本条设计的试验标定线上，区别于目前现有的伤损试验标定线，在两端曲线段也设计安装了人工伤损轨，人工伤损用来模拟轨头核伤、螺孔裂纹、轨颚伤损和轨底伤损等。自然伤损，用来实现对难以加工、无法模拟伤损的覆盖。

4.1 人工伤损设置

人工伤损设置类型包括轨头横孔、轨头斜孔、螺孔斜切槽、轨头平底孔、轨颚切槽、螺孔水平切槽和轨底切槽等人工伤损类型，用来模拟轨头、轨腰和轨底的伤损。计划设置3组相同的人工伤损轨，分部在曲线350m（K5+400～K5+300）、直线（K6+400～K6+300）和曲线600m（K7+200～K7+100）区段。每组人工伤损轨设置194个人工伤损，每组人工伤损轨由8根伤损轨组成（左右各4根25m钢轨），图4为人工伤损示意。人工伤损的设置除了满足国标中对于人工伤损的尺寸和类型要求外，还考虑在现有国标伤损类型下，增加设置尺寸更小的人工伤损，进一步探索钢轨探伤车在不同工况下的检测能力和不同超声检测设备试验考察的能力。同时，在曲线处设置人工伤损，也有利于进一步测试钢轨探伤车在不同速度条件下通过小半径曲线时的伤损检测能力，同时增加对超声探头对中效果进行评价的能力。

图4 裂纹位置定义图

与原来国标中的人工伤损相比，增加了考察的数量、种类和不同的规格，可以更好地区分不同探伤车超声检测系统的差异，同时，为了更加贴合实际线路检测情况，不同于其他伤损试验线路把人工伤损基本设置在平直线路的做法，在环铁伤损试验线路两端的曲线上也设置了两组人工伤损，用以模拟在高铁线路探伤时，经过曲线时的检测效果。R600曲线基本满足高速线路探伤检测要求，R350曲线基本可以满足既有线路的探伤检测要求。人工伤损线段也是从有钢轨伤损模具制作资质的厂家处购买，进行铺设。

4.2 自然伤损设置

自然伤损类型包括焊缝伤损、轨头浅表层伤损、轨头核伤和轨底伤损等。自然伤损轨计划设置在直线段K6+500～K7+000。自然伤损轨收集铁路局集团公司的包含典型伤损的在役钢轨和现存于小环复线的典型伤损钢轨，可实现对钢轨探伤车就人工伤损轨无法模拟的伤损检测能力试验和验证。已收集自然伤损轨为自然伤损的现场截取钢轨，两端采用螺栓孔和试验标定线连接。计划设置4根母材自然伤损和4根焊缝自然伤损，其中，母材自然伤损示意图见图5，焊缝自然伤损示意图见图6。

图5 母材轨头核伤

图6 焊缝轨头核伤

需要说明的是，自然伤损的选取，还需要经过静态状态确认，需要有探伤资质的人员，用探伤小车、手动探伤仪等精度较高的超声探伤设备进行人工确认复核，并对每个自然伤损出具对应探伤报告。

5 结语

随着我国铁路运营里程的不断增加，需要进一步发挥钢轨探伤车检测速度快、效率高的特点，提高其适用范围和使用频率，以代替日益紧张的探伤人员短缺问题，而贴合实际线路情况，更好地指导钢轨探伤车搭载的超声检测系统的设置、探索钢轨探伤车不同工况。线路条件下的检测能力就显得尤为重要，更高标准的探伤试验标定线的建设和使用，为解决上述问题提供了试验的平台和可能。同时，进一步统一检测标准还需要后续探伤试验标定线的检测数据作为支撑，人工伤损的大小和类型也需要进一步细化和改进。